補燃式余熱鍋爐擴展煙道的設計

孫莉

（南京奧能鍋爐有限公司，江蘇南京210019）

補燃式余熱鍋爐擴展煙道的設計

孫莉

（南京奧能鍋爐有限公司，江蘇南京210019）

主要闡述了補燃煙道的結構特點，并且采用流場模擬實驗來驗證和調整煙道中均流板及燃燒器的布置；通過計算有效溫度進行合理的補燃煙道保溫設計。

擴展煙道；均流板；流動均勻性；模型試驗；有效壁溫；陶瓷纖維毯；固化纖維模塊

引言

燃氣蒸汽聯合循環發電已經在我國有了廣泛的應用。余熱鍋爐HRSG（HeatRecoverySteam Generator）作為三大主機設備之一，擔負著重要的作用。作為常規的燃機余熱鍋爐，燃機的排氣參數決定了余熱鍋爐的蒸汽產出。而當余熱鍋爐的蒸汽參數要求更高時，比如蒸汽產量要求增加，或蒸汽溫度要求較高，這就要考慮到增加補燃來實現。而最簡單的補燃方式就是煙道內置補燃的方法。本文就典型的案例來闡述補燃式余熱鍋爐擴展煙道的設計。

1 項目介紹

福建煉油乙烯IGCC裝置是國內首套高度集成的汽電聯產大型節能環保項目，技術先進可靠，能量利用率高。該項目配置兩臺GEPG9171E燃機和兩臺燃機余熱鍋爐，為了保證整個項目提供蒸汽、動力和氫氣，確保全廠蒸汽管網的穩定和動力輸出，兩套燃機余熱鍋爐均設置了補燃系統[1]。未補燃時，蒸汽產量為160 t/h(3.8MPa、420℃)。在高壓蒸汽管網波動時，啟動補燃系統，提高鍋爐的蒸汽產出量到330 t/h (3.8MPa、420℃)，以平抑蒸汽管網的波動。補燃采用燃機排氣中富余的氧進行助燃，不額外送新風。

2 余熱鍋爐介紹

余熱鍋爐的結構主要由三個方面組成：1）煙道系統：包含膨脹節、進口煙道、均流板、補燃煙道、受熱面模塊煙道、SCR煙道、煙囪等：2）汽水系統：包含高壓省煤器、高壓蒸發器、高壓過熱器、高壓汽包、汽水管道等：3）補燃系統：包含安裝在煙道里的補燃器、燃料控制盤、冷卻風系統和補燃器控制系統（BMS）。

3 補燃式余熱鍋爐擴展煙道的設計

在補燃式余熱鍋爐擴展煙道結構設計中，要比常規的余熱鍋爐多考慮以下幾點：

1）煙道結構特點和流場模擬分析。常規煙道設計，我們只需要考慮燃機出口到受熱面模塊進口這段煙道的流動均勻性。而補燃式煙道，要考慮補燃器前后的流場均勻。在補燃器上游的擴展煙道中，增設均流板，保證氣流在較短的擴散煙道中快速擴散均勻。而均流板的設計、均流板的位置、燃燒器距受熱面的距離等，這些最終都需要采用數據計算模擬或流體模型試驗來驗證。本項目是通過流體模型試驗，對進口煙道壓力降、補燃后流場狀態等進行分析和驗證。采用有機玻璃板，線性比例按照1∶12縮小，流速按1∶4縮小建立實驗模型（如圖1）。通過實驗，在燃燒器入口速度分布的均方根偏差小于或等于11.4%（100%的測量相對流速±25%的平均流速）。整個模塊前入口煙道系統壓力降為56.1mmH20。

圖1 實驗模型圖

2）補燃煙道的保溫設計。對于未補燃的HRSG，煙道內壁有效壁溫等于煙氣溫度，而對于補燃的HRSG，煙道內壁有效壁溫要高于燃燒后煙氣溫度（考慮輻射等影響）。我們用α(Tout-Tin)來表示煙溫的增量。

對于補燃煙道內襯選材溫度Twall=Tout+α(Tout-Tin)

對于補燃煙道保溫選材溫度T1wall=Tout+1/3α (Tout-Tin)

對于均流板與補燃器之間的保溫選材溫度T1wall=Tout+α(1-β)(Tout-Tin)

對于補燃燃料為天然氣，且補燃器設置在擴散型煙道中，α=0.3

對于補燃燃料為天然氣，且補燃器設置在平頂的煙道中，α=0.5

對于補燃燃料為石化氣或油，且補燃器設置在擴散型煙道中，α=0.6

對于補燃燃料為石化氣或油，且補燃器設置在平頂的煙道中，α=0.8

Twall為有效溫度供內襯設計；T1wall為有效溫度供保溫設計；Tout為燃燒煙道煙氣出口溫度；Tin為燃燒煙道煙氣進口溫度；Β為輻射遮擋系數（燃燒器遮擋面積比率）。

石化氣是指包含富有H2或烯烴或任何一種火焰溫度比天然氣高222℃的氣體燃料。

燃油被包括是因為油燃燒的火焰具有較高的發射率。

通常的內襯板的選材，見表1。

表1 內襯選擇表

保溫材料也是根據溫度的不同，選擇不同的保溫材料。對于低中溫情況，通常選用陶瓷纖維毯，耐溫1 260℃，容重128 kg/m3。高溫情況，通常采用固化纖維模塊，但要求煙氣流速小于36.6m/s。根據有效溫度，選擇正確的固化纖維模和安裝方式。不同溫度下，安裝方式也不同。如圖2所示：

圖2 纖維塊安裝方式

具體安裝方式要按照纖維模塊供貨商的安裝要求安裝。

本項目最大補燃溫度工況為冬季工況，入口煙溫為527.8℃,補燃后出口煙溫為795.1℃，燃料為液化石油氣（LPG），β=0.54。

對于補燃煙道內襯選材溫度Twall=Tout+α(Tout-Tin) =688.18℃；

對于補燃煙道保溫選材溫度T1wall=Tout+1/3α (Tout-Tin)=616.9℃；

因此，該項目選用表1序號5方式，3mm厚度的310SS為內襯材料，275mm厚（5層50mm+1層25mm）的陶瓷纖維毯（耐溫1260℃，容重128kg/m3）。

4 結語

總體看來，補燃余熱鍋爐的擴展煙道設計要比未補燃煙道復雜得多。在設計過程中，要注意：1）流場的速度均勻性，否則容易產生燃燒器或煙氣擋板過燒，損壞。受熱面管屏容易磨損或局部過燒。2）考慮壓力降的增加，補燃比未補燃煙道內，增加了均流板、燃燒器及擋板等，增加了阻力降。3）考慮選擇合適的煙道保溫材料，防止出現保溫材料破損，局部熱點或外表面超溫。

[1]楊薇,李迎春.燃氣聯合循環余熱鍋爐補燃系統設計實踐[J].余熱鍋爐,2013(3):1-5.

（編輯：王紅霖）

The Inlet Duct Design of Supp lementary Fired HRSG

Sun Li
(AE&E Nanjing Boiler Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210019)

Thisarticlemainly described the structural characteristicsof firing duct,and using flowmodelstudy test to verify and adjust the perforated plateand burnersarrangementin theinletduct;Calculating theeffective temperatureand selectthe reasonable linerand insulation.

inletduct;perforated plate;flow uniformity;flowmodel test;effective temperature;ceramic fiberblanket;ceramic fibermoudle

TM611.31

A

2095-0748(2016)24-0055-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.22

2016-11-25

孫莉（1980—），女，江蘇邳州人，本科，中級工程師，研究方向：余熱鍋爐設計研發。